ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南

1、ANSYSWORKBENCH疲勞分析指南第一章 簡(jiǎn)介1.1 疲勞概述結(jié)構(gòu)失效的一個(gè)常見原因是疲勞，其造成破壞與重復(fù)加載有關(guān)。疲勞通常分為兩類：高周疲勞是當(dāng)載荷的循環(huán)（重復(fù)）次數(shù)高(如1e4 -1e9)的情況下產(chǎn)生的。因此，應(yīng)力通常比材料的極限強(qiáng)度低，應(yīng)力疲勞（Stress-based）用于高周疲勞；低周疲勞是在循環(huán)次數(shù)相對(duì)較低時(shí)發(fā)生的。塑性變形常常伴隨低周疲勞，其闡明了短疲勞壽命。一般認(rèn)為應(yīng)變疲勞（strain-based）應(yīng)該用于低周疲勞計(jì)算。 在設(shè)計(jì)仿真中，疲勞模塊拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于應(yīng)力疲勞（stress-based）理論，它適用于高周疲勞。

2、接下來，我們將對(duì)基于應(yīng)力疲勞理論的處理方法進(jìn)行討論。1.2 恒定振幅載荷在前面曾提到，疲勞是由于重復(fù)加載引起：當(dāng)最大和最小的應(yīng)力水平恒定時(shí)，稱為恒定振幅載荷，我們將針對(duì)這種最簡(jiǎn)單的形式，首先進(jìn)行討論。否則，則稱為變化振幅或非恒定振幅載荷。1.3 成比例載荷載荷可以是比例載荷，也可以非比例載荷：比例載荷，是指主應(yīng)力的比例是恒定的，并且主應(yīng)力的削減不隨時(shí)間變化，這實(shí)質(zhì)意味著由于載荷的增加或反作用的造成的響應(yīng)很容易得到計(jì)算。相反，非比例載荷沒有隱含各應(yīng)力之間相互的關(guān)系，典型情況包括： 1/2=constant在兩個(gè)不同載荷工況間的交替變化；交變載荷疊加在靜載荷上；非線性邊界條件。1.4 應(yīng)力定義考慮

3、在最大最小應(yīng)力值和作用下的比例載荷、恒定振幅的情況： 應(yīng)力范圍定義為(-)平均應(yīng)力定義為(+)/2應(yīng)力幅或交變應(yīng)力a是/2應(yīng)力比R是/當(dāng)施加的是大小相等且方向相反的載荷時(shí)，發(fā)生的是對(duì)稱循環(huán)載荷。這就是m=0，R=-1的情況。當(dāng)施加載荷后又撤除該載荷，將發(fā)生脈動(dòng)循環(huán)載荷。這就是=/2，R=0的情況。1.5 應(yīng)力-壽命曲線載荷與疲勞失效的關(guān)系，采用的是應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線來表示：（1）若某一部件在承受循環(huán)載荷, 經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后,該部件裂紋或破壞將會(huì)發(fā)展，而且有可能導(dǎo)致失效；（2）如果同個(gè)部件作用在更高的載荷下,導(dǎo)致失效的載荷循環(huán)次數(shù)將減少；（3）應(yīng)力-壽命曲線或S-N曲線,展示出應(yīng)力幅

4、與失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。 S-N曲線是通過對(duì)試件做疲勞測(cè)試得到的彎曲或軸向測(cè)試反映的是單軸的應(yīng)力狀態(tài)，影響S-N曲線的因素很多，其中的一些需要的注意，如下： 材料的延展性，材料的加工工藝，幾何形狀信息,包括表面光滑度、殘余應(yīng)力以及存在的應(yīng)力集中，載荷環(huán)境，包括平均應(yīng)力、溫度和化學(xué)環(huán)境，例如，壓縮平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命長(zhǎng)，相反，拉伸平均應(yīng)力比零平均應(yīng)力的疲勞壽命短，對(duì)壓縮和拉伸平均應(yīng)力，平均應(yīng)力將分別提高和降低S-N曲線。因此，記住以下幾點(diǎn)：一個(gè)部件通常經(jīng)受多軸應(yīng)力狀態(tài)。如果疲勞數(shù)據(jù)(S-N 曲線)是從反映單軸應(yīng)力狀態(tài)的測(cè)試中得到的，那么在計(jì)算壽命時(shí)就要注意：（1）設(shè)計(jì)仿真為用戶提供了如何

5、把結(jié)果和S-N曲線相關(guān)聯(lián)的選擇，包括多軸應(yīng)力的選擇；（2）雙軸應(yīng)力結(jié)果有助于計(jì)算在給定位置的情況。平均應(yīng)力影響疲勞壽命，并且變換在S-N曲線的上方位置與下方位置(反映出在給定應(yīng)力幅下的壽命長(zhǎng)短)：（1）對(duì)于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比值，設(shè)計(jì)仿真允許輸入多重S-N曲線(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))；（2）如果沒有太多的多重S-N曲線(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))，那么設(shè)計(jì)仿真也允許采用多種不同的平均應(yīng)力修正理論。早先曾提到影響疲勞壽命的其他因素，也可以在設(shè)計(jì)仿真中可以用一個(gè)修正因子來解釋。1.6 總結(jié)疲勞模塊允許用戶采用基于應(yīng)力理論的處理方法，來解決高周疲勞問題。 以下情況可以用疲勞模塊來處理：恒定振幅，比例載荷(參考第二章)；變化振

6、幅，比例載荷(參考第三章)；恒定振幅，非比例載荷(參考第四章)。需要輸入的數(shù)據(jù)是材料的S-N曲線：S-N曲線是疲勞實(shí)驗(yàn)中獲得，而且可能本質(zhì)上是單軸的，但在實(shí)際的分析中，部件可能處于多軸應(yīng)力狀態(tài)。S-N曲線的繪制取決于許多因素，包括平均應(yīng)力，在不同平均應(yīng)力值作用下的S-N曲線的應(yīng)力值可以直接輸入，或可以執(zhí)行通過平均應(yīng)力修正理論實(shí)現(xiàn)。第二章 疲勞程序2.1 基本情況進(jìn)行疲勞分析是基于線性靜力分析，所以不必對(duì)所有的步驟進(jìn)行詳盡的闡述。疲勞分析是在線性靜力分析之后，通過設(shè)計(jì)仿真自動(dòng)執(zhí)行的。對(duì)疲勞工具的添加，無論在求解之前還是之后，都沒有關(guān)系，因?yàn)槠谟?jì)算不并依賴應(yīng)力分析計(jì)算。盡管疲勞與循環(huán)或重復(fù)載荷有

7、關(guān)，但使用的結(jié)果卻基于線性靜力分析，而不是諧分析。盡管在模型中也可能存在非線性,處理時(shí)就要謹(jǐn)慎了，因?yàn)槠诜治鍪羌僭O(shè)線性行為的。在本章中，將涵蓋關(guān)于恒定振幅、比例載荷的情況。而變化振幅、比例載荷的情況和恒定振幅、非比例載荷的情況，將分別在以后的第三和四章中逐一討論。2.1.1 疲勞程序下面是疲勞分析的步驟，用斜體字體所描述的步驟，對(duì)于包含疲勞工具的應(yīng)力分析是很特殊的：模型指定材料特性，包括S-N曲線；定義接觸區(qū)域(若采用的話)；定義網(wǎng)格控制(可選的)；包括載荷和支撐；(設(shè)定)需要的結(jié)果，包括Fatigue tool；求解模型；查看結(jié)果。在幾何方面，疲勞計(jì)算只支持體和面，線模型目前還不能輸出應(yīng)力

8、結(jié)果，所以疲勞計(jì)算對(duì)于線是忽略的，線仍然可以包括在模型中以給結(jié)構(gòu)提供剛性，但在疲勞分析并不計(jì)算線模型。2.1.2 材料特性由于有線性靜力分析,所以需要用到楊氏模量和泊松比：如果有慣性載荷,則需要輸入質(zhì)量密度；如果有熱載荷,則需要輸入熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率；如果使用應(yīng)力工具結(jié)果(Stress Tool result),那么就需要輸入應(yīng)力極限數(shù)據(jù),而且這個(gè)數(shù)據(jù)也是用于平均應(yīng)力修正理論疲勞分析。疲勞模塊也需要使用到在工程數(shù)據(jù)分支下的材料特性當(dāng)中S-N曲線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)類型在“疲勞特性”(“Fatigue Properties”)下會(huì)說明；S-N曲線數(shù)據(jù)是在材料特性分支條下的“交變應(yīng)力與循環(huán)”(“Alter

9、nating Stress vs. Cycles”)選項(xiàng)中輸入的。如果S-N曲線材料數(shù)據(jù)可用于不同的平均應(yīng)力或應(yīng)力比下的情況, 那么多重S-N曲線也可以輸入到程序中。2.1.3 疲勞材料特性添加和修改疲勞材料特性在材料特性的工作列表中,可以定義下列類型和輸入的S-N曲線，插入的圖表可以是線性的（“Linear”）、半對(duì)數(shù)的（“Semi-Log”即linear for stress, log for cycles）或雙對(duì)數(shù)曲線（“Log-Log”）。記得曾提到的，S-N曲線取決于平均應(yīng)力。如果S-N曲線在不同的平均應(yīng)力下都可適用的，那么也可以輸入多重S-N曲線，每個(gè)S-N曲線可以在不同平均應(yīng)力下

10、直接輸入，每個(gè)S-N曲線也可以在不同應(yīng)力比下輸入?？梢酝ㄟ^在“Mean Value”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵添加新的平均值來輸入多條SN曲線。2.1.4 疲勞特征曲線材料特性信息可以保存XML文件或從XML文件提取，保存材料數(shù)據(jù)文件，在material條上按右鍵，然后用“Export ”保存成XML外部文件，疲勞材料特性將自動(dòng)寫到XML文件中，就像其他材料數(shù)據(jù)一樣。一些例舉的材料特性在如下安裝路徑下可以找到：C:ProgramFilesAnsysIncv80AISOLCommonFilesLanguageen-usEngineeringDataMaterials，“Aluminum”和“Structur

11、al Steel”的XML文件，包含有范例疲勞數(shù)據(jù)可以作為參考，疲勞數(shù)據(jù)隨著材料和測(cè)試方法的不同而有所變化，所以很重要一點(diǎn)就是，用戶要選用能代表自己部件疲勞性能的數(shù)據(jù)2.1.5 接觸區(qū)域接觸區(qū)域可以包括在疲勞分析中，注意，對(duì)于在恒定振幅、成比例載荷情況下處理疲勞時(shí)，只能包含綁定（Bonded）和不分離（No-Separation）的線性接觸，盡管無摩擦、有摩擦和粗糙的非線性接觸也能夠包括在內(nèi)，但可能不再滿足成比例載荷的要求。例如，改變載荷的方向或大小，如果發(fā)生分離，則可能導(dǎo)致主應(yīng)力軸向發(fā)生改變；如果有非線性接觸發(fā)生，那么用戶必須小心使用，并且仔細(xì)判斷；對(duì)于非線性接觸，若是在恒定振幅的情況下，則

12、可以采用非比例載荷的方法代替計(jì)算疲勞壽命。2.1.6 載荷與支撐能產(chǎn)生成比例載荷的任何載荷和支撐都可能使用，但有些類型的載荷和支撐不造成比例載荷：螺栓載荷對(duì)壓縮圓柱表面?zhèn)仁┘泳剂?，相反，圓柱的相反一側(cè)的載荷將改變；預(yù)緊螺栓載荷首先施加預(yù)緊載荷，然后是外載荷，所以這種載荷是分為兩個(gè)載荷步作用的過程；壓縮支撐（Compression Only Support）僅阻止壓縮法線正方向的移動(dòng)，但也不會(huì)限制反方向的移動(dòng)，像這些類型的載荷最好不要用于恒定振幅和比例載荷的疲勞計(jì)算。2.1.7 (設(shè)定)需要的結(jié)果對(duì)于應(yīng)力分析的任何類型結(jié)果，都可能需要用到：應(yīng)力、應(yīng)變和變形接觸結(jié)果(如果版本支持)；應(yīng)力工具（S

13、tress Tool）。另外，進(jìn)行疲勞計(jì)算時(shí)，需要插入疲勞工具條（Fatigue Tool）：在Solution子菜單下，從相關(guān)的工具條上添加“Tools > Fatigue Tool”，F(xiàn)atigue Tool的明細(xì)窗中將控制疲勞計(jì)算的求解選項(xiàng)；疲勞工具條（Fatigue Tool）將出現(xiàn)在相應(yīng)的位置中，并且也可添加相應(yīng)的疲勞云圖或結(jié)果曲線，這些是在分析中會(huì)被用到的疲勞結(jié)果，如壽命和破壞。2.1.8 需要的結(jié)果在疲勞計(jì)算被詳細(xì)地定義以后，疲勞結(jié)果可下在Fatigue Tool下指定；等值線結(jié)果（Contour）包括Lifes(壽命)，Damage(損傷)，Safety Factor（安

14、全系數(shù)），BiaxialityIndication（雙軸指示），以及Equivalent Alternating Stress（等效交變應(yīng)力）；曲線圖結(jié)果(graph results)）僅包含對(duì)于恒定振幅分析的疲勞敏感性(fatigue sensitivity)；這些結(jié)果的詳細(xì)分析將只做簡(jiǎn)短討論。2.2 Fatigue Tool2.2.1 載荷類型當(dāng)Fatigue Tool在求解子菜單下插入以后，就可以在細(xì)節(jié)欄中輸入疲勞說明：載荷類型可以在“Zero-Based”、“Fully Reversed”和給定的“Ratio”之間定義；也可以輸入一個(gè)比例因子，來按比例縮放所有的應(yīng)力結(jié)果。2.2.2 平

15、均應(yīng)力影響在前面曾提及，平均應(yīng)力會(huì)影響S-N曲線的結(jié)果. 而“Analysis Type”說明了程序?qū)ζ骄鶓?yīng)力的處理方法：“SN-None”：忽略平均應(yīng)力的影響“SN-Mean Stress Curves”：使用多重S-N曲線（如果定義的話）“SN-Goodman,”“SN-Soderberg,”和“SN-Gerber”：可以使用平均應(yīng)力修正理論。如果有可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，那么建議使用多重S-N曲線(SN-Mean Stress Curves)；但是，如果多重S-N曲線是不可用的，那么可以從三個(gè)平均應(yīng)力修正理論中選擇，這里的方法在于將定義的單S-N曲線“轉(zhuǎn)化”到考慮平均應(yīng)力的影響：1.對(duì)于給定的疲

16、勞循環(huán)次數(shù)，隨著平均應(yīng)力的增加，應(yīng)力幅將有所降低；2.隨著應(yīng)力幅趨近零，平均應(yīng)力將趨近于極限（屈服）強(qiáng)度；3.盡管平均壓縮應(yīng)力通常能夠提供很多的好處，但保守地講，也存在著許多不利的因素(scaling=1=constant)。Goodman理論適用于低韌性材料，對(duì)壓縮平均應(yīng)力沒能做修正，Soderberg理論比Goodman理論更保守，并且在有些情況下可用于脆性材料，Gerber理論能夠?qū)g性材料的拉伸平均應(yīng)力提供很好的擬合，但它不能正確地預(yù)測(cè)出壓縮平均應(yīng)力的有害影響，如下圖所示。缺省的平均應(yīng)力修正理論可以從“Tools > Control Panel：Fatigue>Analys

17、is Type”中進(jìn)行設(shè)置如果存在多重S-N曲線，但用戶想要使用平均應(yīng)力修正理論，那么將會(huì)用到在m=0或R=-1的S-N曲線。盡管如此，這種做法并不推薦。2.2.3 強(qiáng)度因子除了平均應(yīng)力的影響外，還有其它一些影響S-N曲線的因素，這些其它影響因素可以集中體現(xiàn)在疲勞強(qiáng)度(降低)因子Kf中，其值可以在Fatigue Tool的細(xì)節(jié)欄中輸入，這個(gè)值應(yīng)小于1，以便說明實(shí)際部件和試件的差異，所計(jì)算的交變應(yīng)力將被這個(gè)修正因子Kf分開,而平均應(yīng)力卻保持不變。2.2.4 應(yīng)力分析在第一章中，注意到疲勞試驗(yàn)通常測(cè)定的是單軸應(yīng)力狀態(tài)，必須把單軸應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換到一個(gè)標(biāo)量值，以決定某一應(yīng)力幅下(S-N曲線)的疲勞循環(huán)次

18、數(shù)。Fatigue Tool細(xì)節(jié)欄中的應(yīng)力分量(“Stress Component”)允許用戶定義應(yīng)力結(jié)果如何與疲勞曲線S-N進(jìn)行比較。6個(gè)應(yīng)力分量的任何一個(gè)或最大剪切應(yīng)力、最大主應(yīng)力、或等效應(yīng)力也都可能被使用到。所定義的等效應(yīng)力標(biāo)示的是最大絕對(duì)主應(yīng)力，以便說明壓縮平均應(yīng)力。2.3 求解疲勞分析疲勞計(jì)算將在應(yīng)力分析實(shí)施完以后自動(dòng)地進(jìn)行，與應(yīng)力分析計(jì)算相比，恒定振幅情況的疲勞計(jì)算通常會(huì)快得多。如果一個(gè)應(yīng)力分析已經(jīng)完成，那么僅選擇Solution或Fatigue Tool 分支并點(diǎn)擊Solve，便可開始疲勞計(jì)算。在求解菜單中（solution branch）的工作表將沒有輸出顯示，疲勞計(jì)算在Wor

19、kbench中進(jìn)行，ANSYS的求解器不會(huì)執(zhí)行分析中的疲勞部分，疲勞模塊沒有使用ANSYS /POST1的疲勞命令(FSxxxx, FTxxxx)。2.4 查看疲勞結(jié)果對(duì)于恒定振幅和比例載荷情況，有幾種類型的疲勞結(jié)果供選擇：Life（壽命）：等值線顯示由于疲勞作用直到失效的循環(huán)次數(shù)，如果交變應(yīng)力比S-N曲線中定義的最低交變應(yīng)力低，則使用該壽命（循環(huán)次數(shù)）(在本例中，S-N曲線失效的最大循環(huán)次數(shù)是1e6，于是那就是最大壽命。Damage（損傷）：設(shè)計(jì)壽命與可用壽命的比值，設(shè)計(jì)壽命在細(xì)節(jié)欄（Details view）中定義，設(shè)計(jì)壽命的缺省值可通過下面進(jìn)行定義“Tools > Control

20、Panel:Fatigue > Design Life。Safety Factor（安全系數(shù)）：安全系數(shù)等值線是關(guān)于一個(gè)在給定設(shè)計(jì)壽命下的失效，設(shè)計(jì)壽命值在細(xì)節(jié)欄（Details view）輸入，給定最大安全系數(shù)SF值是15。BiaxialityIndication：應(yīng)力雙軸等值線有助于確定局部的應(yīng)力狀態(tài)，雙軸指示（Biaxialityindication）是較小與較大主應(yīng)力的比值(對(duì)于主應(yīng)力接近0的被忽略)。因此，單軸應(yīng)力局部區(qū)域?yàn)锽值為0，純剪切的為-1，雙軸的為1。等效交變應(yīng)力(Equivalent Alternating Stress）：等值線在模型上繪出了部件的等效交變應(yīng)力，它

21、是基于所選擇應(yīng)力類型，在考慮了載荷類型和平均應(yīng)力影響后，用于詢問（query）S-N曲線的應(yīng)力。疲勞敏感性( Fatigue Sensitivity )：一個(gè)疲勞敏感曲線圖顯示出部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化，能夠輸入載荷變化的極限(包括負(fù)比率)，曲線圖的缺省選項(xiàng)，“Tools menu > OptionsSimulation：Fatigue>Sensitivity”。任何疲勞選項(xiàng)的范圍可以是選定的部件（parts）和/或部件的表面，收斂性可用于等值線結(jié)果。收斂和警告對(duì)疲勞敏感性圖是無效的，因?yàn)檫@些圖提供關(guān)于載荷的敏感性(例如，沒有為了收斂目的而指定的標(biāo)量選

22、項(xiàng))。疲勞工具也可以與求解組合一起使用，在求解組合中，多重環(huán)境可能被組合。疲勞計(jì)算將基于不同環(huán)境的線性組合的結(jié)果。2.5 總結(jié)a 建立一個(gè)應(yīng)力分析(線性,比例載荷) b 定義疲勞材料特性,包括S-N曲線c 定義載荷類型和平均應(yīng)力影響的處理 d 求解和后處理疲勞結(jié)果Solveand postprocessfatigue results第三章 不穩(wěn)定振幅的疲勞在前面一章中,考察了恒定振幅和比例載荷的情況,并涉及到最大和最小振幅在保持恒定的情況下的循環(huán)或重復(fù)載荷。在本章將針對(duì)不定振幅、比例載荷情況,盡管載荷仍是成比例的,但應(yīng)力幅和平均應(yīng)力卻是隨時(shí)間變化的。3.1 不規(guī)律載荷的歷程和循環(huán)(Histor

23、y and Cycles)對(duì)于不規(guī)律載荷歷程,需要進(jìn)行特殊處理：計(jì)算不規(guī)律載荷歷程的循環(huán)所使用的是“雨流”rainflow循環(huán)計(jì)算，“雨流”循環(huán)計(jì)算(Rainflowcycle counting)是用于把不規(guī)律應(yīng)力歷程轉(zhuǎn)化為用于疲勞計(jì)算的循環(huán)的一種技術(shù)(如右面例子)，先計(jì)算不同的“平均”應(yīng)力和應(yīng)力幅(“range”)的循環(huán)，然后使用這組“雨流”循環(huán)完成疲勞計(jì)算。損傷累加是通過Palmgren-Miner 法則完成的，Palmgren-Miner法則的基本思想是：在一個(gè)給定的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅下，每次循環(huán)用到有效壽命占總和的百分之幾。對(duì)于在一個(gè)給定應(yīng)力幅下的循環(huán)次數(shù)Ni，隨著循環(huán)次數(shù)達(dá)到失效次數(shù)N

24、fi時(shí)，壽命用盡，達(dá)到失效。“雨流”循環(huán)計(jì)算和Palmgren-Miner損傷累加都用于不定振幅情況。因此，任何任意載荷歷程都可以切分成一個(gè)不同的平均值和范圍值的循環(huán)陣列(“多個(gè)豎條”)，右圖是“雨流”陣列，指出了在每個(gè)平均值和范圍值下所計(jì)算的循環(huán)次數(shù)，較高值表示這些循環(huán)的將出現(xiàn)在載荷歷程中。在一個(gè)疲勞分析完成以后，每個(gè)“豎條”(即“循環(huán)”)造成的損傷量將被繪出，對(duì)于“雨流”陣列中的每個(gè)“豎條”(bin)，顯示的是對(duì)應(yīng)的所用掉的壽命量的百分比。在這個(gè)例子中，即使大多數(shù)循環(huán)發(fā)生在低范圍/平均值，但高范圍(range)循環(huán)仍會(huì)造成主要的損傷。依據(jù)Per Miner法則，如果損傷累加到1(100%)

25、，那么將發(fā)生失效。3.2 不定振幅程序a 建立引領(lǐng)分析(線性,比載荷) b 定義疲勞材料特性(包括S-N曲線)a 定義載荷歷程數(shù)據(jù),并以及平均應(yīng)力的影響的處理 b 為“雨流”循環(huán)次數(shù)的計(jì)算定義bins的數(shù)量e 求解并查看疲勞結(jié)果(例如，損傷matrix，損傷等值線圖，壽命等值線等)對(duì)于建立基于不定振幅、比例載荷情況下疲勞分析的過程，與前面講過的第二章中介紹非常相似，但有兩個(gè)例外：載荷類型的定義不同，查看的疲勞結(jié)果中包括變化的“雨流”和損傷陣列。3.3.定義3.3.1 定義載荷類型在Fatigue Tool的Details 欄中, 載荷類型“Type”指的是歷程數(shù)據(jù)“History Data”，

26、既而，在“History Data Location”下定義一個(gè)外部文件. 這個(gè)文本文件將會(huì)包含一組循環(huán)(或周期)的載荷歷程點(diǎn)，由于歷程數(shù)據(jù)文本文件的數(shù)值表示的是載荷的倍數(shù),所以比例因子“Scale Factor”也能夠用于放大載荷。3.3.2 定義無限壽命恒定振幅載荷中,如果應(yīng)力低于S-N曲線中最低限,曾提過的最后定義的循環(huán)次數(shù)將被使用。但在不定振幅載荷下,載荷歷程將被劃分成各種平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的“豎條”(“bins”)。由于損傷是累積起來的，這些小應(yīng)力可能造成相當(dāng)大的影響，即當(dāng)循環(huán)次數(shù)很高時(shí)。因此，如果應(yīng)力幅比S-N曲線的最低點(diǎn)低，“無限壽命”值可以在Fatigue Tool 的Detai

27、ls欄中輸入，以定義所采用循環(huán)次數(shù)的值。損傷的定義是循環(huán)次數(shù)與失效時(shí)次數(shù)的比值，因此對(duì)于沒有達(dá)到S-N曲線上的失效循次數(shù)的小應(yīng)力，“無限壽命”就提供這個(gè)值。通過對(duì)“無限壽命”設(shè)置較大值，小應(yīng)力幅循環(huán)(“Range”)的影響造成的損傷將很小，因?yàn)閾p傷比率較小(damage ratio)。3.3.3 定義bin size“豎條尺寸”(“Bin Size”)也可以在Fatigue Tool 的Details欄中定義，rainflow陣列尺寸是bin_size x bin_size。Binsize越大，排列的陣列就越大，于是平均(mean)和范圍(range)可以考慮的更精確，否則將把更多的循環(huán)次數(shù)放

28、在在給定的豎條中(看下圖)，但是對(duì)于疲勞分析，豎條的尺寸越大,所需要的內(nèi)存和CPU成本會(huì)越高。3.3.4 定義豎條尺寸另一方面請(qǐng)注意,我們可以看到單根鋸齒或正弦曲線的載荷歷程數(shù)據(jù)將產(chǎn)生與第二章中所講的恒定振幅相似的結(jié)果。注意，這樣的一個(gè)載荷歷程將產(chǎn)生一個(gè)與恒定振幅情況下同樣的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅的計(jì)算。這個(gè)結(jié)果可能與恒定振幅情況有輕微差異取決于豎條的尺寸，因?yàn)閞ange的均分方式可能與確切值不一致，所以，如果應(yīng)用的話，推薦使用恒定振幅法。前面的討論非常清楚地指出“bins”的數(shù)目影響求解精度。這是因?yàn)榻换ズ推骄鶓?yīng)力在計(jì)算部分損傷前先被輸入到“bins”中。這就是“Quick Counting”技術(shù)

29、。默認(rèn)方法（因?yàn)槠湫矢撸癚uick RainflowCounting”可以在“Details view”中關(guān)閉，在這種情況下，部分損傷發(fā)現(xiàn)前數(shù)據(jù)不會(huì)被輸入到“bins”，因此“bins”的數(shù)目不會(huì)影響結(jié)果。雖然這種方法很準(zhǔn)確，但它會(huì)耗費(fèi)更多的內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間。3.4 查看疲勞結(jié)果定義了需要的結(jié)果以后,不定振幅情況就可以采用恒定振幅情況相似的方式，與應(yīng)力分析一起或在應(yīng)力分析以后進(jìn)行求解。由于求解的時(shí)間取決于載荷歷程和豎條尺寸，所在進(jìn)行的求解可能要比恒定振幅情況的時(shí)間長(zhǎng)，但它仍比常規(guī)FEM的求解快。結(jié)果與恒定振幅情況相似：代替疲勞循環(huán)次數(shù),壽命結(jié)果報(bào)告了直到失效的載荷塊的數(shù)量。舉個(gè)例子，如果載荷

30、歷程數(shù)據(jù)描述了一個(gè)給定的時(shí)間塊(假設(shè)是一周的時(shí)間)，以及指定的最小壽命是50，那么該部件的壽命就是50塊或50周。損傷和安全系數(shù)(Damageand Safety Factor)基于在Details欄中輸入的設(shè)計(jì)壽命(Design Life)，但仍然是以塊形式出現(xiàn),而不是循環(huán)。BiaxialityIndication(雙軸指示)與恒定振幅情況一樣，對(duì)于不定振幅載荷均可用。對(duì)于不定振幅情況，Equivalent Alternating Stress(等效交變應(yīng)力)，不能作為結(jié)果輸出。這是因?yàn)閱蝹€(gè)值不能用于決定失效的循環(huán)次數(shù)，因而采用基于載荷歷程的多個(gè)值。Fatigue Sensitivity(疲

31、勞敏感性)對(duì)于壽命塊也是可用的。在不定振幅情況中也有一些自身獨(dú)特的結(jié)果：Rainflow陣列，雖然不是真實(shí)的結(jié)果，對(duì)于輸出是有效的，在前面已經(jīng)討論了，它提供了如何把交變和平均應(yīng)力從載荷歷程劃分成豎條的信息。損傷陣列顯示的是指定的實(shí)體(scoped entities)的評(píng)定位置的損傷。它反映了所生成的每個(gè)豎條損傷的大小。注意，結(jié)果是在指定的部件或表面的臨界位置上的結(jié)果。第四章 非比例載荷的疲勞分析在第二章中,討論了恒定振幅和比例載荷情況，本節(jié)將針對(duì)恒定振幅非比例載荷情況進(jìn)行介紹。其基本思想是用兩個(gè)加載環(huán)境代替單一加載環(huán)境，進(jìn)行疲勞計(jì)算，不采用應(yīng)力比，而是采用兩個(gè)載荷環(huán)境的應(yīng)力值來決定最大最小值。

32、由于同一組應(yīng)力結(jié)果不并不成比例，這就是為什么這種方法稱為非比例(non-proportional)的原因,但是兩組結(jié)果都會(huì)使用到，由于需要兩個(gè)解，所以可以采用求解組合來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于恒定振幅,非比例情況的處理過程與恒定振幅、比例載荷的求解基本相同,除了下面所提出的以外:1.建立兩個(gè)帶不同載荷條件的環(huán)境(two Environment )分支條。2.增加一個(gè)求解組合分支條( Solution Combination branch)，并定義兩個(gè)環(huán)境。3.為求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool (和其他結(jié)果) ,并將載荷類型定義“非比例”（Non-Propor

33、tional）。4.(定義)所需的結(jié)果并求解。4.1 建立兩個(gè)載荷環(huán)境( two loading environments:)這兩個(gè)載荷環(huán)境可以有兩組不同的載荷以模仿兩載荷的交互形式(支撐也是一樣)，例如，一個(gè)是彎曲載荷，另一個(gè)是扭轉(zhuǎn)載荷作為兩個(gè)環(huán)境(Environments)，這樣的疲勞載荷計(jì)算將假定為在這樣的兩個(gè)載荷環(huán)境下的交互受載的。一個(gè)交互載荷可以疊加到靜載荷上，例如，有一個(gè)恒定壓力和一個(gè)力矩載荷。對(duì)于其中一個(gè)環(huán)境(Environment)僅定義恒定壓力，而另一個(gè)環(huán)境定義為恒定壓力力矩載荷。這就將模仿成一個(gè)恒定壓力和交變力矩。非線性支撐/接觸(supports/contact)或非比例

34、載荷的使用，例如，僅有一個(gè)壓縮支撐，只要阻止剛體運(yùn)動(dòng)，那么兩個(gè)環(huán)境應(yīng)該反映的是某一方向和其相反的方向的載荷。4.2 從模型分支條下增加一個(gè)求解組合( Solution Combination )在工作表(Worksheet)中，添加用于計(jì)算的兩個(gè)環(huán)境(Environments)。注意，系數(shù)可以是一個(gè)數(shù)值，只有一種情況除外，即結(jié)果是被縮放的。注意，兩個(gè)環(huán)境將會(huì)很好地用于非比例載荷。從兩個(gè)環(huán)境（Environments）產(chǎn)生的應(yīng)力結(jié)果將決定對(duì)于給定位置的應(yīng)力范圍。4.3 求解組合(solution combination)添加Fatigue Tool“Non-Proportional”必須作為“T

35、ype”在Details 欄中定義。任何其他選項(xiàng)將把兩個(gè)環(huán)境(two Environments)當(dāng)作線性組合(見sectionB的結(jié)尾)，比例系數(shù)、疲勞強(qiáng)度系數(shù)(因子)、分析類型以及應(yīng)力組分都可以進(jìn)行相應(yīng)地設(shè)置。4.4 (定義)所需的其它結(jié)果并求解對(duì)于非比例載荷，用戶可能需要獲得與作用在比例載荷情況下同樣的結(jié)果。 唯一的差別在于雙軸指示(BiaxialityIndication)。由于所進(jìn)行的分析是在作用在非比例載荷條件下，所以對(duì)于給定的位置，沒有單個(gè)應(yīng) 力雙軸性存在.應(yīng)力雙軸性的平均或標(biāo)準(zhǔn)偏差可以在Details欄中進(jìn)行設(shè)置。平均應(yīng)力雙軸性是直接用來解釋的.標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示的是在給定位置的應(yīng)力狀

36、態(tài)改變量.因此,一個(gè)小標(biāo)準(zhǔn)偏差值是指行為接近比例載荷；而大的標(biāo)準(zhǔn)偏差值，則是指在主應(yīng)力方向上的足夠變化。在兩個(gè)環(huán)境(two Environments)首先得到求解以后,疲勞求解將自動(dòng)進(jìn)行?；赪orkbench的復(fù)雜條件下底部鉆具組合疲勞壽命分析發(fā)表時(shí)間：2013-2-25    作者: 閆永麗 楊秀娟 閆相禎  來源: 安世亞太關(guān)鍵字: ANSYS教程 ANSYS資料 疲勞壽命分析 表面裂紋 本論文應(yīng)用有限元法，對(duì)鉆柱的下部鉆具組合進(jìn)行了疲勞壽命分析。利用ANSYS Workbench軟件建立了下部鉆具

37、組合（ Bottom hole assembly ，簡(jiǎn)稱BHA）的三維有限元模型，首次采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)該下部鉆具組合進(jìn)行了結(jié)構(gòu)疲勞分析?？紤]了不同裂紋形狀以及埋深深度對(duì)鉆具壽命的影響，文中分別對(duì)存在圓形、橢圓形（表層和深埋）裂縫的鉆具進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的計(jì)算。1 前言    近年來，隨著鉆井深度的增加以及各種鉆井技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)鉆柱性能的要求越來越高。而且鉆柱常在交變應(yīng)力和井壁摩擦碰撞的惡劣條件下工作，使得鉆柱成為旋轉(zhuǎn)鉆井設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)。特別是在深井作業(yè)中及硬地層，容易發(fā)生失效事故，其中疲勞失效是主要的失效形式。計(jì)算鉆柱疲勞壽命可以為鉆柱使

38、用和管理提供依據(jù)。由于鉆柱的疲勞失效往往沒有可以觀察的預(yù)兆，事故通常會(huì)造成極大地經(jīng)濟(jì)損失。為此，有必要在鉆柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中利用仿真手段，對(duì)其進(jìn)行疲勞分析，以便在研發(fā)的早期就發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不足，并尋求優(yōu)化方案，降低事故危險(xiǎn)。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，采用有限元方法建立模型，以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用ANSYS Workbench仿真分析平臺(tái)對(duì)下部鉆具組合（BHA）進(jìn)行了疲勞特性分析，得到了疲勞壽命使用系數(shù)以及各種裂紋對(duì)應(yīng)的疲勞壽命。 2 分析模型2.1 模型的建立    正鉆井過程中鉆柱在狹長(zhǎng)的井眼內(nèi)運(yùn)動(dòng)，受力十分復(fù)雜，本文主要研究受到軸向應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的情

39、況下，下部鉆具組合的疲勞壽命分析，圖1所示為其仿真模型圖：    本文研究的鉆具基本結(jié)構(gòu)尺寸為：    17.5鉆頭（0.5m）+接頭（0.5m）+鉆鋌（9m）2根+扶正器（2m）+鉆鋌（9m）1根。鉆壓為5t，扭矩為5。2.2 參數(shù)的設(shè)置    在ANSYS Workbench中Static Structural下，設(shè)置求解參數(shù)。選擇insert/最大等效應(yīng)力來尋找鉆具峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置。選擇insert/fatigue tool選項(xiàng)設(shè)置疲勞強(qiáng)度削弱系數(shù)為0.8；在分析類型中有Goodman（古德曼）、

40、Gerber（杰柏）和Soderberg（索德柏格）三種，其中Goodman（古德曼）理論在疲勞設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣，所以本文選擇Goodman理論對(duì)疲勞壽命進(jìn)行估計(jì)；在Fatigue Tool中，選擇insert/life、Damage、Safety Factor選項(xiàng)，設(shè)置BHA的疲勞壽命、疲勞累積損傷系數(shù)和安全系數(shù)，設(shè)定設(shè)計(jì)壽命均為1.0e6次循環(huán)。 3 疲勞分析及其結(jié)果 3.1 無裂紋的BHA的疲勞分析結(jié)果     在ANSYS Workbench有限元分析軟件中，按照以上簡(jiǎn)化模型和參數(shù)的設(shè)置，對(duì)下部鉆具組合（BHA）的疲勞失效分析進(jìn)行求解。 分頁    在Solution的stress中查看BHA的應(yīng)力云圖。由應(yīng)力云圖2可以看出，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在鉆柱底部，與工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相符合。安全系數(shù)（Safety Factor）的定義是零件或構(gòu)件所用材料的失效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值。如圖3所示，在Fatigue Tool/Safety Factor中可查到的BHA的疲勞安全系數(shù)為6大于1，說明此鉆柱是安全的